科研进展--中国科学院广州分院

理解生态系统服务（ESs）的协同和权衡效应阈值以及在不同气候区异质性对于区域生态系统管理至关重要。该研究选择了从半干旱到干旱气候过渡带的内蒙古为研究对象，定量评估了该区域食物和牧草供应、碳固定、生物多样性、土壤保持、防风固沙、水源涵养、产水量、空气净化和娱乐休闲等关键生态系统服务，并对两个气候区域的生态系统服务权衡协同关系以及影响因素的阈值效应进行了研究。中国科学院华南植物园生态与环境科学研究中心刘红晓副研究员等研究发现，沙漠草原的ESs分布呈现显著的气候差异，半干旱区的总ESs高于干旱区。然而，半干旱区ESs之间的权衡更加严重，且由于人为干扰，决定因素更加复杂和敏感。干旱区受自然因素影响，如荒地比例、气温、降水量和植被指数，而半干旱区则受景观格局指数、人口密度和GDP的影响。主要影响因素存在明显阈值，超过阈值后负面效应加强。干旱区，荒地比例阈值为69%、降水量138mm和NDVI为0.48。在半干旱区，荒地比例阈值为43%，NDVI为0.38，最大斑块指数为87.4%。该研究为温带沙漠草原生态恢复与分区管控提供了支持。相关研究成果已近期发表在国际学术期刊Ecological Indicators（《生态指标》）上。华南植物园刘红晓副研究员为论文通讯作者。文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X25000287

2025-01-26

亚热带生态所科研人员发现稳定的土壤生物网络促进了土壤生态多功能性

农业干扰作为最常见和最严重的全球扰动和全球变化的驱动因子之一，对生物多样性和生态系统过程产生深远影响。农田是粮食的主要来源，世界上巨大的人口压力使人类不得不通过频繁地耕作、施肥和使用农药等集约化做法来增加粮食产量。这些农业做法导致土壤健康显著下降、土壤有机碳和养分流失以及土壤结构变化。然而，对于农业干扰如何影响土壤生物网络复杂性和稳定性以及土壤多功能性之间的关系人们知之甚少。农业干扰作为最常见和最严重的全球扰动和全球变化的驱动因子之一，对生物多样性和生态系统过程产生深远影响。农田是粮食的主要来源，世界上巨大的人口压力使人类不得不通过频繁地耕作、施肥和使用农药等集约化做法来增加粮食产量。这些农业做法导致土壤健康显著下降、土壤有机碳和养分流失以及土壤结构变化。然而，对于农业干扰如何影响土壤生物网络复杂性和稳定性以及土壤多功能性之间的关系人们知之甚少。基于此，中国科学院亚热带农业生态研究所王克林研究员团队赵杰研究员在桂西北地区开展了区域尺度采样，研究团队在该地区的两种主要的土壤（石灰土和红壤）上选取四种典型的农用地，按农业干扰梯度由低到高顺序依次为牧草、甘蔗地、水稻田和玉米地。研究旨在揭示农业干扰如何影响土壤生物网络的复杂性和稳定性以及阐明这些影响如何与土壤多功能性相关。研究发现，农业干扰强度的增加提高了物种之间的竞争，因此增加了土壤生物网络的复杂性，但却减少了土壤生物网络稳定性。土壤微动物（线虫、原生动物和节肢动物）可以通过自上而下的控制作用稳定整个土壤生物群落。进一步的分析发现，是土壤生物网络稳定性而不是土壤生物网络复杂性或土壤生物多样性能预测土壤多功能性的动态。具体而言，一个稳定的土壤生物群，包括细菌、真菌、古菌、线虫、原生动物、节肢动物、病毒和藻类，支持高的土壤多功能性。特别是，土壤微动物群稳定性比其他的生物群对土壤多功能性有更大的贡献。总的来说，研究结果强调在全球农业集约化不断增加的背景下，土壤生物网络稳定性应该被考虑为提高农业可持续发展和作物产量的关键因素。上述研究成果以Stable soil biota network enhances soil multifunctionality in agroecosystems为题发表在领域国际知名期刊Global Change Biology上，研究得到该研究得到了国家自然科学基金（2022YFD1901000，U21A20189）等项目的共同资助。论文链接土壤生物网络复杂性和稳定性的生物和非生物驱动因素土壤多功能性和土壤生物群落稳定性的关系

2025-01-25

连发两项重要成果！深圳先进院科研团队为减毒活疫苗开发提供新策略

北京时间1月15日18时，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）合成生物学研究所研究员司龙龙团队在国际权威学术期刊《自然—微生物学》和《自然—化学生物学》上同期发表两项重要研究成果。流感，是一种由传播快、易变异的流感病毒引起的常见呼吸道传染病。据世界卫生组织数据显示，每年全球大约有10亿例季节性流感病例。接种疫苗是防控流感最经济有效的手段之一，“下一代疫苗的开发”在2021年被《科学》杂志列为125个前沿科学问题之一。北京时间1月15日18时，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）合成生物学研究所研究员司龙龙团队在国际权威学术期刊《自然—微生物学》和《自然—化学生物学》上同期发表两项重要研究成果。团队合影研究团队聚焦减毒活疫苗研发的关键共性难题，基于该团队前期建立的第一代蛋白降解靶向的减毒疫苗技术（简称“PROTAR疫苗技术”），从介导病毒蛋白降解的E3泛素连接酶的多样性、病毒蛋白和氨基酸位点的多样性两个方面，对PROTAR疫苗技术进行优化迭代，分别建立PROTAR流感疫苗库和第二代PROTAR疫苗技术，为更加安全、有效的减毒活疫苗开发提供了新思路。深圳先进院为两篇文章的第一单位和通讯单位。文章上线截图中国科学院院士高福评价道，该工作极大丰富了PROTAR流感减毒活疫苗的多样性，支撑PROTAR活疫苗系统评价与优化，拓展了人们对PROTAR减毒活疫苗的认知，该团队在PROTAR减毒活疫苗研究方向上的连续性工作为包括流感在内的多种流行性病毒的减毒活疫苗设计提供了新思路、新方法。建立PROTAR流感疫苗库，拓展疫苗多样性传统疫苗存在诸多局限，一方面，部分传统疫苗免疫效果欠佳，难以应对病毒频繁变异；另一方面，一些疫苗安全性令人担忧，可能引发严重不良反应。此外，部分疫苗研制技术复杂、通用性差，研发周期长且高度依赖研究人员经验，也极大限制了疫苗的快速生产与广泛应用。2022年，司龙龙团队提出了PROTAR减毒活疫苗技术，相关成果发表于《自然—生物技术》。为进一步提升疫苗效用及安全性，在此次《自然—微生物学》新发表的研究中，司龙龙团队基于前期研究，建立了PROTAR疫苗库，拓展了PROTAR疫苗多样性。病毒组装自身结构和行使生物学功能，很大程度上依赖病毒蛋白。据通讯作者司龙龙研究员介绍，团队设计出独特的“生命开关”元件——PTD，得以调控病毒蛋白的稳定或降解。“PROTAR疫苗技术的设计原理是利用细胞中的蛋白质降解机器——‘泛素-蛋白酶体系统’，将‘生命开关’元件PTD引入至病毒蛋白两端，使得病毒在进入正常细胞后，病毒蛋白被系统识别并降解，导致病毒复制能力减弱，实现病毒‘减毒’，从而将病毒变成潜在疫苗。”司龙龙说道。另一方面，为实现疫苗的高效制备，团队还创新性地设计出了系统功能缺陷的工程细胞。通过选择性移除“生命开关”元件PTD，病毒蛋白得以保留并稳定存在，使得PROTAR疫苗可以在疫苗制备细胞中高效复制，满足大量制备的需求。在PROTAR疫苗设计中，病毒蛋白的特异性降解由PTD，以及其对应的E3泛素连接酶决定。目前，在真核细胞中已经鉴定出超过600种E3泛素连接酶，为PROTAR疫苗的多样性设计提供了生物学基础。司龙龙团队以流感病毒为研究模型，利用E3泛素连接酶的多样性，设计并成功构建了22类PROTAR疫苗株，拓展了PROTAR疫苗的种类，并展示出PROTAR疫苗的多样性。此外，团队对PROTAR疫苗的安全性、免疫原性、免疫保护效果进行了系统性的验证及评价，为开发更优的、具有临床转化潜力的PROTAR疫苗候选株奠定基础，有望促进PROTAR疫苗技术的推广应用和临床转化。PROTAR疫苗2.0，提升疫苗技术灵活通用性团队开发的第一代PROTAR疫苗技术虽然显示出良好的潜力，但该技术仅允许“生命开关”元件PTD装载在病毒蛋白两端（N端和C端），可能会限制技术在不同病毒中的广泛应用。司龙龙团队在《自然—化学生物学》新发表的研究中，将该技术进一步升级，开发了PROTAR疫苗2.0，可支持PTD元件装载在病毒蛋白的任意合适的位点，包括病毒蛋白两端和内部位点，有效地弥补了第一代PROTAR疫苗技术的缺陷。这一技术的改进，不仅为PTD元件在病毒蛋白中的装载提供了大量位点选择空间，提高了技术灵活性和通用性，还能实现多个PTD元件在同一病毒颗粒中的同时装载，从而提升疫苗的安全性。在犬肾细胞（MDCK细胞）、小鼠模型、雪貂模型的验证实验中，研究团队证明了PROTAR疫苗2.0具有良好的安全性、免疫原性、交叉免疫保护效果；并进一步地在多种流感病毒中证明了其通用性，有望推广至其他病毒疫苗的研制。司龙龙团队建立的PROTAR流感疫苗库拓展了疫苗种类，丰富了人类防控病毒性流行性传染病的“武器库”。此外，开发的PROTAR疫苗2.0通过提升技术的灵活性和通用性，有望推动流感疫苗安全性及有效性的升级，为防控流感和疫苗研发具有重要的科学和应用价值。该两项研究成果为流感疫苗研发提供了新思路。中国科学院院士赵国屏评价道，合成生物学作为一门新兴的交叉学科，借鉴工程学原理，设计改造天然生物系统，或合成新的生物体系，揭示生命运行规律（造物致知），变革生物体系工程化应用（造物致用），在食品、医药、能源、环境、材料、农业等领域发挥着越来越重要的作用。该工作基于合成生物学研发新型疫苗技术，丰富了人们对抗传染性疾病的武器库，是合成生物学推动生物医药发展的成功范例。

2025-01-22

广州地化所孙明道，徐义刚等-EPSL：燕山科学钻探辽西九佛堂组年代学研究最新进展

近日，中国科学院广州地球化学研究所孙明道副研究员、徐义刚研究员等学者合作，在辽西九佛堂组年代学方面取得新进展，相关成果以“Terrestrial ecosystem response to Early Cretaceous global environmental change: a calibrated,high-resolution Aptian record from Northeast China”为题，发表在国际知名期刊《Earth and Planetary Science Letters》。燕山科学钻探是国家自然科学基金委基础科学中心项目“克拉通破坏与陆地生物演化”的核心内容之一，其聚焦华北克拉通热河生物群富集层位，开展全取芯钻探与沉积学-年代学-地球化学-古生物学研究，旨在重建热河生物群期间古气候古环境变化，高分辨率标定全球重大地质事件层位，揭示陆地生物灭绝、进化、迁徙的时间节点和深部过程控制机制。辽西九佛堂组记录了热河生物群晚期，也是热河生物群面貌最繁盛的时期，普遍发育湖相黑色页岩。前人对九佛堂组内部凝灰岩夹层开展锆石年代学研究，指出其时代为Aptian阶早期约122-119 Ma，但下部义县组形成于Barremian阶约125-121Ma，上部整合覆盖的沙海组、阜新组始于Albian阶约112-111 Ma。因此，已有的九佛堂组内部年龄与上下地层年龄不一致。另一方面，前人指出过九佛堂组记录了早白垩世大洋缺氧事件、板内火山爆炸式喷发事件、风暴事件等，但这些事件具体在哪个层位、沉积学/地球化学标志是什么仍不清楚。研究团队在辽西喀左盆地开展科学钻探，获取了1497.5m连续完整的九佛堂组岩芯。通过CA-ID-TIMS锆石年代学分析，确定下部1464m和中部852m处两层凝灰岩的时代分别为121.05±0.32 Ma 和117.359±0.031 Ma，根据贝叶斯年龄-深度模型，基于黑色页岩Ca/Fe比值、δ13Corg等指标建立的天文旋回周期，以及沉积碳同位素偏移特征，指出钻得九佛堂组的持续时间约为 121.3至111.9 Ma，大洋缺氧事件OAE1a发生在120.2 Ma，持续了约45万年；区域板内火山最大规模爆炸式喷发事件发生在117.359 Ma；风暴与古水文环境转换事件发生在约114.3 Ma。九佛堂组底部记录了OAE1a、顶部记录了OAE1b事件，两次事件沉积特征十分相似，而上部又存在区域火山静默期，没有合适的定年矿物，是导致之前地层学研究没有识别出晚Aptian部分九佛堂组的原因。本次研究证实湖相沉积能够可靠记录全球碳循环扰动，帮助理解早白垩世气候变化，显著提升深时地球研究的时间分辨率。研究为后续基于磁性地层学、化学地层学、微体古生物学等手段进一步揭示Aptian阶全球重大地质事件的陆内响应奠定了良好基础，对热河生物群演化研究有着重要的参考意义。共有来自6家单位的68位科研人员参加了本文研究工作。论文信息：Ming-Dao Sun,Qin Lin,Jahandar Ramezani,Jiang-Si Liu,Zheng-An Lu,Han-Qing Yang,Jiang-Hao Bai,Shi-Xi Cai,Jun-Cai Chen,Xuan-Yu Chen,Hao Cui,Guang-Chao Deng,Hai-Feng Gai,Hai-Tao Gao,Jun Guo,Hao Guo,Lu-Bing Hong,Yong-Sheng Hou,Yuan-Yuan Hua,Long Huang,Kai Kong,Chao-Peng Li,Xu-Ran Liang,Zhe Liu,Liang Liu, Ben Liu, Shang-Li Liu, Xiao-Jun Long, Chang Lu , Gui-Mei Lu, Kai Luo, Si-Yuan Ma, Fei Mo, Qing-Long Ouyang, Xue-Song Shi, Zhao-Yang Sun, Yi-Zhuo Sun, He Tang, Feng Tian, Han-Ming Wang, Xing Wang, Xi Wang, Li-Wei Wang, Dan Wang, Yu-Xuan Wei, Wei Wu, Chao Wu, He Xiao, Chuan-Mao Yang, Fan Yang, Bin-Yan Yin, Xiao-Xiao Yu, Wan-Feng Zhang, Zhi-Hua Zhang, Rui-Peng Zhao, Chang-Sheng Zheng, Qin Zhou, Zu-Yang Zou, Ze-Xian Cui, Qiang Ma, Liang Ma, Jian-Xi Zhu, Jian-Fang Hu, Gang-Jian Wei, Yu-Ting Zhong, Jun Shen, Ti Zeng, Yi-Gang Xu，2025，Terrestrial ecosystem response to Early Cretaceous global environmental change: A calibrated, high-resolution Aptian record from Northeast China，653，119206，doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119206.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2025.119206图1 喀左盆地地质剖面图与科学钻探位置图2 凌源钻孔岩芯照片 (856m左下-840 m右上）见黑色页岩夹厚层凝灰岩。凝灰岩具粒序分选，形成于火山单次爆炸式喷发。

2025-01-21

深圳先进院 | 肠道微生物群落建模：探索肠道菌群的潜力（Current Opinion in Biotechnology）

肠道菌群的多样性深刻影响着人类健康，其失调已被证明与糖尿病、阿尔茨海默症等多种代谢性疾病密切相关。然而，肠道微生物的复杂性与个体差异性给传统研究方法带来了巨大挑战，使得精准解读和调控肠道微生物成为科学研究的前沿课题。近年来，基因组规模代谢模型（Genome-scale metabolic model, GEM）作为一种包含基因组、生化和生理数据的数学工具，为预测微生物代谢活性提供了可能性。然而，单一GEM仅能对单一菌株的代谢能力进行表征。为了更全面和系统地研究微生物群落，通过整合多种单一菌株模型和宏基因组数据构建群落水平模型（Community-level GEM, Co-GEM），可以预测不同菌株之间的相互作用及群落整体代谢能力，揭示不同物种在群落中的功能角色以及与宿主疾病之间的潜在机制，并在指导设计合成微生物群落实现精准医疗和个性化饮食等领域展现了广阔的应用潜力。肠道菌群的多样性深刻影响着人类健康，其失调已被证明与糖尿病、阿尔茨海默症等多种代谢性疾病密切相关。然而，肠道微生物的复杂性与个体差异性给传统研究方法带来了巨大挑战，使得精准解读和调控肠道微生物成为科学研究的前沿课题。近年来，基因组规模代谢模型（Genome-scale metabolic model,GEM）作为一种包含基因组、生化和生理数据的数学工具，为预测微生物代谢活性提供了可能性。然而，单一GEM仅能对单一菌株的代谢能力进行表征。为了更全面和系统地研究微生物群落，通过整合多种单一菌株模型和宏基因组数据构建群落水平模型（Community-level GEM,Co-GEM），可以预测不同菌株之间的相互作用及群落整体代谢能力，揭示不同物种在群落中的功能角色以及与宿主疾病之间的潜在机制，并在指导设计合成微生物群落实现精准医疗和个性化饮食等领域展现了广阔的应用潜力。近日，中国科学院深圳先进技术研究院陈禹课题组与查尔姆斯理工大学Jens Nielsen教授合作，在Current Opinion in Biotechnology期刊发表综述文章“Personalized gut microbial community modeling by leveraging genome-scale metabolic models and metagenomics”。陈禹研究员和Jens Nielsen教授为文章的共同通讯作者，研究助理李龙涛为第一作者。该工作获得了国家重点研发计划及深圳合成生物学创新研究院的支持。文章首先回顾了近些年GEM相关资源与建模工具（如AGORA2，CarveMe等）及其在肠道微生物研究中的应用，然后介绍了构建个性化人类肠道Co-GEM的两种主流策略（图1）：一是通过宏基因组中获得的微生物分类信息与已有的多个菌株的GEM资源整合构建Co-GEM；二是直接利用宏基因组测序数据构建GEM并结合环境中微生物分类信息来构建Co-GEM。基于宏基因组数据构建个性化肠道微生物Co-GEM的策略最后，文章总结了该领域的挑战与展望。首要挑战便是不同数据库与GEM资源之间的标准化，目前不同GEM和数据库之间的代谢物、反应等关键信息存在多种不同的格式和命名规则。单一模型的性能是群落建模的基础，基于先验知识对GEM进行多约束（比如酶动力学参数，蛋白限制等）的整合至关重要。例如，最新的GECKO 3.0工具通过构建酶约束模型显著提升了模型的预测能力，有望运用于肠道微生物模型构建。此外，新的“泛”模型构建方法，比如MIGRENE和Pan-draft等，使得构建个性化肠道Co-GEM成为了可能；而多组学数据的整合以及机器学习和神经网络方法也能够进一步提升模型性能。随着新方法的不断涌现并应用在提高Co-GEM的性能上，相信在不久的将来，将能从肠道微生物的角度为人类健康与疾病提供更深入的见解。PI和课题组简介陈禹，中国科学院深圳先进技术研究院研究员，博士生导师。近五年代表性成果发表于Nature Protocols、PNAS、Molecular Systems Biology等期刊。目前主持国家高层次人才项目、国家重点研发计划“合成生物学”重点专项和深圳市医学研究专项资金项目。陈禹课题组从事系统生物学和合成生物学研究，致力于整合“干”“湿”技术定量解析代谢调控机制，提高生物系统理性设计能力。

2025-01-20

国家重点研发计划课题5“生态服务整体提升与乡村振兴融合模式” 年度总结会议在环江召开

1月13日至14日，由中国科学院亚热带农业生态研究所张伟研究员主持的国家重点研发计划课题5“生态服务整体提升与乡村振兴融合模式”在环江召开年度总结暨实施计划研讨会。课题参与单位代表、骨干成员、台站支撑工作人员和部分研究生参加会议，并邀请项目组兄弟课题部分代表参与讨论。1月13日至14日，由中国科学院亚热带农业生态研究所张伟研究员主持的国家重点研发计划课题5“生态服务整体提升与乡村振兴融合模式”在环江召开年度总结暨实施计划研讨会。课题参与单位代表、骨干成员、台站支撑工作人员和部分研究生参加会议，并邀请项目组兄弟课题部分代表参与讨论。会议由5个专题进行工作进展和年度计划汇报。亚热带生态所张倩博士、中国地质科学院岩溶地质研究所黄芬研究员、湖南师范大学张雪茂博士、亚热带生态所肖峻副研究员和广西南亚热带农业科学研究所谭秋瑾研究员分别代表所在专题进行了详细的汇报。张伟和参会人员进行了热烈讨论，针对专题实施现状、存在问题和改进方法以及之后重点研发方向提出了明确的建设性建议。张伟作课题工作报告，他对参与人员在课题工作中的付出表示感谢，并通过对标对表考核指标，针对性地指出当前尚待完善的问题，对于相对滞后的指标完成度，提出了清晰的完善思路和时间表，并明确分工、落实责任人。他认为课题应继续加强资源统筹和产业导向，结合项目组内各课题成果，促进研发技术与生态-生产效益提升相融合，有效强化落地见效的标志性成果凝练，形成生态、生产协同增效的喀斯特生态系统农业示范区。会上，课题组成员前往示范区进行了现场考察。本次会议回顾了中期考核专家提出的问题和建议，查漏补缺、进行自我完善，系统梳理了专题工作进展和协同思路，有助于加强课题组内部的交流协作，提高凝练成果的整体性，有效推动技术研发和示范工作进一步取得成效。会议现场

2025-01-16

南海海洋所 | PNAS发文揭示细菌复杂鞭毛马达结构的新组分

中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室高贝乐研究员团队联合耶鲁大学医学院Jun Liu团队，揭示了细菌复杂鞭毛马达结构的新组分，丰富了对定子-转子相互作用复杂性的理解。相关成果以“Tetrameric PilZ protein stabilizes stator ring in complex flagellar motor and is required for motility in Campylobacter jejuni”为题，发表于国际著名综合性期刊PNAS。中国科学院南海海洋研究所2020级博士生陈园园和耶鲁大学医学院Shoichi Tachiyama为共同第一作者，研究员高贝乐为通讯作者。细菌鞭毛马达是首个被发现的生物旋转机器，其驱动力由定子单元MotAB通过消耗离子动力势提供。MotAB的同源蛋白参与多种重要的细胞生命过程，研究鞭毛马达有助于加深我们对这类旋转复合体的理解。在鞭毛马达“齿轮传动”模型中，定子作为小型的主动齿轮驱动大型被动齿轮转子的旋转。近期多项研究发现，在模式物种E. coli和S. enterica以外的许多物种中存在额外的周质支架蛋白，这些蛋白能稳定并形成更宽的定子环以产生更大的扭矩。然而，迄今尚无报道表明胞质侧存在能与定子形成稳定复合物的支架蛋白。研究团队揭示，位于胞质侧的FlgX蛋白构成空肠弯曲杆菌复杂鞭毛马达结构的新组分，能够与MotA的胞质部分相互作用并稳定马达中的定子环。结构分析表明，FlgX属于四聚体PilZ家族，但与其他作为c-di-GMP受体的PilZ家族蛋白不同，研究显示FlgX不具备c-di-GMP结合能力，表明其在空肠弯曲杆菌中独立于c-di-GMP调控发挥功能。此外，胞质侧还发现了新的球形密度结构，将两个FlgX连接在一起，而蛋白组分尚不清晰。FlgX或定子单元的缺失均会导致周质空间中FliL环和笼状结构的不完整，这表明FlgX-定子复合体的组装可能早于FliL环和笼状结构的形成。对弯曲菌门的进化分析显示，FlgX与该门祖先的F3趋化系统绑定出现，表明FlgX极有可能是从该门的共同祖先中进化而来。FlgX四聚体在鞭毛马达中的特殊位置增加了我们对定子-转子相互作用复杂性的理解。其作为鞭毛马达结构组分，独立于c-di-GMP的调控发挥功能，也代表了PilZ超家族一种新的功能分化。此外，对复杂马达结构、功能和进化的深入分析为大分子机器的理性设计提供了重要的理论依据。图1 FlgX具备四聚体PilZ特征且不能结合c-di-GMP图2 空肠弯曲杆菌FlgX-MotA复合体的假原子模型本研究得到了南沙群岛珊瑚礁生态系统国家野外科学观测研究站开放基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目、南方海洋科学与工程引进人才团队重点专项广东省实验室（广州），以及中国科学院南海生态环境工程创新研究院的资助。相关论文信息：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412594121

2025-01-17

南海海洋所 | 放线菌的运动秘密：鞭毛退化与非传统运动方式的新发现

中国科学院南海海洋研究所热带海洋生物资源与生态重点实验室高贝乐研究员团队总结分析了放线菌鞭毛的退化性演化及其非鞭毛依赖的多样化运动方式，并探讨了这些现象与生态适应和细胞结构演化间的关联。相关成果以“Flagellar evolution and flagella-independent motility in Actinobacteria”为题，发表于微生物前沿领域研究的权威期刊Trends in Microbiology。中国科学院南海海洋研究所2020级博士生陈园园和助理研究员朱思琦为共同第一作者，研究员高贝乐为通讯作者。放线菌门（Actinobacteria）是细菌域中物种最丰富的细菌门之一，其成员广泛分布于地球各个角落。虽然传统观点认为大多数放线菌是不具备运动能力的，但近年来的研究揭示了一些关于该细菌门运动机制的新发现，其中包括鞭毛的退化性演化及非鞭毛依赖的运动方式。放线菌门的鞭毛进化分析显示，尽管该细菌门中仅有13%的物种携带鞭毛基因，但这些基因可能源自共同祖先并通过垂直遗传得以保留。研究表明，生活在水生环境中的单细胞放线菌更倾向具有鞭毛，而生活在土壤的丝状放线菌或宿主相关环境中的病原菌或共生菌则往往缺乏鞭毛。这种鞭毛的大量独立丢失现象可能与放线菌向陆生丝状生长或宿主相关生活方式的转变有关。放线菌鞭毛的退化性进化在具鞭毛物种的马达组成上也有所体现。早期具有鞭毛的放线菌物种中存在完整的鞭毛杆成分，而在进化晚期则出现部分丢失，主要缺失鞭毛杆的远端蛋白FlgFG。能形成游动孢子的放线菌物种例如Actinoplanes spp.具有极高的运动速度但没有FlgFG，表明退化后的鞭毛依然具备运动功能。当鞭毛完全退化时，一些物种表现出非鞭毛依赖的运动能力。例如，链霉菌属（Streptomyces spp.）可以通过“微生物搭便车”机制依附于其他细菌的鞭毛以实现孢子传播。此外，链霉菌还展现了“探索性生长”的现象，其运动速度远超菌丝尖端的生长速度，并受到真菌或挥发性有机化合物的触发。部分分枝杆菌（Mycobacterium spp.）如结核分枝杆菌则被观察到具有滑行运动能力，但其分子机制仍需进一步研究。鞭毛马达跨越整个细菌细胞膜，因此膜结构的变化不可避免地会影响马达的组成、结构和组装。未来高分辨率冷冻电镜技术的发展有望揭示放线菌门中鞭毛退化物种的细胞膜结构变化。这些研究将帮助揭示鞭毛及其他细胞表面附属物的存在或缺失、结构多样性和功能分化的决定因素。目前，放线菌门的大部分属尚未深入研究，探索非传统运动方式和潜在结构将为其多样性提供新的线索。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省科技计划项目、南方海洋科学与工程引进人才团队重点专项广东省实验室（广州），以及中国科学院南海生态环境工程创新研究院的资助。相关论文信息：DOI: 10.1016/j.tim.2024.07.010图1 放线菌门多样性图2 放线菌门的鞭毛退化性演化

2025-01-17

广州地化所雒恺等-JGR：玄武岩风化过程中的Mg同位素分馏：估算风化通量和CO2消耗的指标

大陆硅酸盐岩的风化作用是长时间尺度上调节全球碳循环平衡和维持地球宜居性的关键机制，其不仅控制着地表的物质循环和元素迁移，也影响着大陆风化输出通量的变化。尽管大陆风化通量的重要性已被广泛认可，但含钙镁硅酸盐岩风化输出的物质通量的准确量化和大气CO2消耗对气候变量的反馈仍然未受到有效限制。近年来，非传统稳定同位素地球化学在大陆风化研究中得到了广泛应用，为示踪风化作用机制和地表物质迁移转化提供了新视角。其中，Mg同位素在示踪大陆风化作用方面优势显著，风化过程中原生矿物溶解、次生矿物形成、黏土矿物的吸附与解吸附过程以及生物作用均会导致Mg同位素分馏，使得Mg同位素在不同相态的物质中具有不同的地球化学行为。然而，硅酸盐岩风化过程中Mg同位素分馏机制及影响因素仍存在争议。针对上述科学问题，中国科学院广州地球化学研究所博士生雒恺，在马金龙正高级工程师和韦刚健研究员的指导下，联合华盛顿大学滕方振教授，选取海南岛北部的玄武岩风化剖面作为研究对象，开展了矿物学、元素和Mg同位素组成研究。取得了以下主要进展：（1）风化产物的τMg,Ti值为-34.1% ~ -95.7%，δ26Mg值为-0.25‰ ~ 0.43‰，Mg同位素组成在剖面中自下而上呈现出先增加后减小的趋势，且大部分风化产物的δ26Mg值高于母岩值（图1）。（2）含镁原生矿物分解释放出可迁移的Mg，但该过程对Mg同位素分馏似乎没有明显影响。蒙脱石形成和分解过程影响了风化产物中Mg的亏损，这一过程可能影响Mg同位素分馏。高岭石是风化剖面中Mg同位素分馏的主导因素，不同pH条件下高岭石结构的变化对26Mg表现出明显的倾向性（图2）。（3）基于风化剖面尺度，创新性地提出估算风化通量和CO2消耗的新方法，计算得到玄武岩化学风化过程中的Mg元素通量（MgFlux）为2.45 ~ 5.85 mol/cm2/Myr，Mg同位素通量（δ26MgFlux）为-0.44 ~ -0.04 ‰/mol/cm2/Myr（图3）。该研究进一步估算了研究区内玄武岩风化消耗的大气CO2通量，并将这一结果推广至全球范围。结果显示，全球玄武岩风化消耗的CO2通量为2.3 × 1012 mol/yr（图4）。我们的研究为大陆硅酸盐岩化学风化过程中元素与同位素行为及其风化输出通量的定量化研究提供了技术手段，也明确了玄武岩风化在全球碳循环平衡中的关键作用。图1 玄武岩风化剖面中MgO含量、Mg同位素组成、τMg,Ti值、CIA值、WIP值和pH值随深度的变化图2 玄武岩风化剖面中δ26Mg值与（a）τMg,Ti值和（d）pH值之间的关系；高岭石/蒙脱石与（b）τMg,Ti值和（c）δ26Mg值之间的关系图3 τMg,Ti值与（a）MgFlux和（b）δ26MgFlux的关系，CIA值与（c）MgFlux和（d）δ26MgFlux的关系图4 （a）玄武岩风化剖面中CIA值与FCO2的关系；（b）华南地区玄武岩风化剖面的FCO2统计图相关研究成果近期发表于国际地学期刊《Journal of Geophysical Research: Earth Surface》。该项研究受到国家重点研发计划和广东省基础与应用基础研究重大项目等项目的联合资助。论文信息：Luo,K.（雒恺）,Ma,J.-L.（马金龙）,Teng,F.-Z.（滕方振）,Wei,G.-J.（韦刚健）,Zhu,G.-H.（朱冠虹）,Zeng,T.（曾提）,& Wang,Z.-B.（王志兵） (2025). Magnesium isotope fractionation during basalt weathering: An index of weathering fluxes and CO2 consumption. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 130, e2024JF007774. https://doi.org/10.1029/2024JF007774 论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024JF007774

2025-01-16

广州地化所李奇维，王强等-GCA：轻Fe同位素制约高硅花岗岩的三阶段演化过程

随着科技的进步、能源转型和产业升级，稀有金属（如钨、锡、铌、钽、锂等）在高科技产业中的应用日益广泛，尤其在新能源汽车和航空航天等领域。然而，稀有金属资源的分布极为有限，许多关键矿产资源集中在少数国家或地区，寻找这些矿床并加大战略储备已成为全球各国的紧迫任务。稀有金属矿床通常与高分异（高硅）花岗岩密切伴生，因此，深入研究后者的成因对于该类矿床勘探具有重要意义。由于演化程度高，高硅花岗岩记录了岩浆体系向岩浆-热液体系的转换，有关高硅岩浆的分异机制、流体出溶过程及其与熔体的相互作用等问题，仍存在许多未解之谜。近日，中国科学院广州地球化学研究所王强研究员团队联合中国科学院地球化学研究所赵军红研究员等，针对上述科学问题，对冈底斯弧古新世正嘎高硅花岗岩进行了详细的岩相学和Fe同位素分析，发现这些岩石普遍发育矿物交代结构（图1）。不同于高硅花岗岩具有重Fe同位素的传统观点，正嘎高硅花岗岩具有明显轻的Fe同位素组成，且Fe同位素随岩浆分异呈波浪状变化趋势（图2），说明高硅花岗岩的形成受控于三阶段过程（即黑云母与磁铁矿分离结晶、流体出溶、流体－熔体相互作用）。尽管流体出溶使高硅花岗岩的Fe同位素变重，但随后的流体－熔体反应使高硅花岗岩的Fe同位素降低，使之具有与原始岩浆相似的轻Fe同位素组成（图3）。图1 正嘎高硅花岗岩的BSE和CL图图2 正嘎高硅花岗岩的Zr/Hf、Mg同位素与Fe同位素图解图3 酸性岩浆房中Fe同位素的三阶段演化模式图该研究识别出高硅花岗岩的轻Fe同位素特点，与流体作用密切相关。这一发现为Fe同位素示踪高硅花岗岩成因，特别是流体的形成与演化提供了新的视角。相关成果在线发表于地球科学领域著名期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》，本研究受国家自然科学基金创新群体项目和第二次青藏科考等项目的联合资助。论文信息：Li, Q.W., Wang, Q.*, Ma, L., Kerr, A.C., Fan, J.J., Zhao, J.H., Gu, H.O., Wang, W. and Su, Z.K., 2025. Light iron isotopes in high-silica granites record fluid evolution in magmatic-hydrothermal systems. Geochimica et Cosmochimica Acta, in press, DOI: 10.1016/j.gca.2024.12.034.论文链接：https://doi.org/10.1016/j.gca.2024.12.034

2025-01-16